基于Kalina循环的内燃机尾气余热回收系统的热力学研究

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内燃机(ICE)是一种重要的能量转换装置,被广泛应用于小汽车、卡车、船舶等领域。尽管采用了许多技术手段,内燃机热效率也仅为3545%,以尾气、缸套冷却水等形式排放的废热占燃料燃烧能量的5565%。而以氨水为工质的Kalina循环可以高效回收低温余热,如果将ICE系统和Kalina循环构成联合循环来回收余热,可以提高内燃机能量利用率、节约燃料消耗以及减少污染物排放,具有重要的工程意义。本文分别以KC、KCS、KCF为底循环与ICE构建联合循环回收尾气余热,并在联合循环的基础上从热力学第一定律、第二定律的角度,以净输出功率、热效率、?效率为热力学性能指标,以投资回收周期为经济性能指标对KC、KCS、KCF三种底循环进行了参数分析。结果表明:蒸发器出口温度、基础氨水溶液浓度、透平入口压力等都是影响底循环的重要参数。提高蒸发器出口温度、透平入口温度、基础氨水溶液的浓度可以提高净输出功率、热效率、?效率;热力学性能随透平入口压力的变化会受到蒸发器出口温度的影响,存在一个临界的蒸发器出口温度,若蒸发器出口温度低于此临界温度时,提高透平入口压力,净输出功率、热效率、?效率都减小;如果蒸发器出口温度高于此临界温度时,存在最佳透平入口压力p2,opt,使得净输出功率、热效率、?效率最大;提高蒸发器出口温度、透平入口温度、基础氨水溶液浓度,降低透平入口压力,都会使投资回收周期减小。KCF系统中,闪蒸压力和蒸发器压力的比值(p6/p2)是影响热力学性能和经济性的重要参数,获得最佳热力学性能的p6/p2值为0.32,获得最经济性能的p6/p2值为0.30。ICE-KC、ICE-KCS、ICE-KCF均可有效回收内燃机尾气废热。在本文所研究内燃机负荷范围(20%-100%)内,ICE-KC和ICE-KCF可提高热效率约12%,ICE-KCS可提高热效率6.4-15.7%。内燃机负荷较低时(小于或等于30%)KCS系统热力学性能指标低于KC、KCF系统,内燃机负荷较高时(大于或等于60%),KCS系统热力性能指标高于KC、KCF系统,KCS系统经济性最好,KCF系统经济性最差。
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